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TRATAMENTOS
TÉRMICOS DE
AÇOS FERRAMENTA
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MSc. Eng. Carlos Humberto Sartori
Gerente Industrial – Itaraí Metalurgia Ltda.
1. OBJETIVOS
Apresentar e discutir os principais conceitos ligados aos tratamentos térmicos
de aços ferramenta.
Demonstrar soluções técnicas para aumentar o desempenho de ferramentas
através da escolha do melhor material, processos de endurecimento e
engenharia de superfície.
2. AÇOS FERRAMENTA
Chamamos de aços ferramenta, a uma classe de materiais metálicos, na qual,
sobre uma base de aço carbono, adicionam-se ELEMENTOS DE LIGA, para a
obtenção de propriedades, ou combinações de propriedades especiais.
No estado recozido a microestrutura consiste em uma matriz “mole” com
carbonetos inseridos. Esses carbonetos podem ser carbonetos de cromo,
tungstênio, molibdênio ou vanádio, dependendo da composição química do
aço. Os carbonetos são caracterizados pela alta dureza e um alto volume de
carbonetos significa alta resistência ao desgaste. É sempre muito importante
que esses carbonetos estejam bem distribuídos. Outros elementos de liga
também presentes em aços ferramenta são o cobalto e o níquel, porém esses
elementos não formam carbonetos, o cobalto aumenta a dureza a quente e o
níquel aumenta a temperabilidade.
Dentre os principais aços ferramentas podemos destacar:
• Aços Rápidos – correspondendo a aços altamente ligados (acima de 20% em
peso), utilizados para ferramentas de corte, tais como brocas, fresas, punções
de corte e repuxo. Tem como característica principal, a manutenção da aresta
cortante, mesmo sob condições de temperatura elevada. Corresponde à classe
M da norma AISI.
Exemplos mais comuns no Brasil: AISI M2, M35 e M42;
• Aços Trabalho a Quente – correspondendo a aços de baixo carbono, ligados
usualmente ao Cr, Mo e V, utilizados para trabalhos a quente, tais como
forjamento de aços, injeção de alumínio, e em muitos casos, para a injeção de
plásticos. Corresponde à classe H da norma AISI.
Exemplos mais comuns no Brasil: AISI H13, H12, H11, H10 e H21;
• Aços Trabalho a Frio – correspondendo a aços de alto carbono e elevado teor
de elementos de liga, utilizados para trabalho a frio, tais como estamparia,
corte e repuxo de chapas, forjamento a frio, laminação a frio.
Corresponde à classe D da norma AISI.
Exemplos mais comuns no Brasil: AISI D6, D2, O1, A2 e S1;
• Aços para moldes plásticos – desenvolvidos para apresentar elevada
polibilidade, além de baixa deformação na têmpera ou no endurecimento por
precipitação, estes aços ligados são utilizados na fabricação de moldes para
injeção de plástico. Correspondem à classe P da norma AISI.
Exemplos mais comuns no Brasil: AISI P20 e P50;
• Aços Inoxidáveis Martensíticos – classe de aços ligados, caracterizados pela
elevada resistência a corrosão, além de uma boa combinação de tenacidade e
resistência ao desgaste. Muito utilizado na injeção de polímeros
organoclorados, devido à agressividade deste tipo de polímero. Corresponde à
série 400 da norma AISI.
Exemplo mais comum no Brasil: AISI 420.
Recentes desenvolvimentos das indústrias fabricantes de aços ferramenta têm
trazido novos tipos de aço para o mercado, com características específicas.
Na realidade, a seleção de um aço ferramenta não se limita aos tipos
normatizados, devendo ser feita através de criteriosa análise das propriedades
físico-químico-mecânicas necessárias para o sucesso da ferramenta.
Exemplos clássicos podem ser observados a seguir:
3. SELEÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA
Há diversos critérios para Seleção de Aços Ferramenta listados na literatura,
mas, de um modo geral, consideramos que devam ser analisadas as seguintes
variáveis:
1. APLICAÇÃO – conhecer profundamente as propriedades desejadas para a
aplicação em questão;
2. SEQÜÊNCIA DE FABRICAÇÃO – projetar a seqüência de fabricação em
função das características do aço;
3. QUANTIDADE DE PEÇAS A SEREM PRODUZIDAS – em função da
produção desejada, o aço pode variar;
O conhecimento da APLICAÇÃO é imprescindível, pois somente assim
poderemos conhecer as solicitações a qual a ferramenta estará sujeita, e
poderemos selecionar os aços adequados, que possam fornecer boa
resistência a tais solicitações.
Prever todas as etapas de fabricação, ou seja, a SEQÜÊNCIA DE
FABRICAÇÃO também é muito importante, pois estas etapas podem introduzir
modificações importantes nas propriedades do aço ferramenta, gerando
problemas. Por exemplo, processos de eletro-erosão de penetração ou
processo de retífica.
A QUANTIDADE DE PEÇAS A SEREM PRODUZIDAS, leva diretamente à
questão da durabilidade da ferramenta. Para pequenas séries, muitas vezes
não compensa fazer grandes investimentos na ferramenta. Entretanto, se há
aumento de produção ou mudança de programa de produção, muitas vezes é
aconselhável construir outra ferramenta, mais sofisticada em termos de aço e
tratamento térmico, do que ficar fazendo sucessivas manutenções numa
ferramenta inadequada.
4. INTRODUÇÃO AO TRATAMENTO TÉRMICO DE AÇOS FERRAMENTA
Basicamente, entende-se por tratamento térmico, a aplicação de ciclos de
AQUECIMENTO e RESFRIAMENTO em elementos metálicos, com o objetivo
único de obter-se MUDANÇA DE NATUREZA MICROESTRUTURAL, tendo-se
como conseqüência a obtenção de propriedades físico-químico-mecânicas
desejadas.
O que diferencia um aço do outro, em termos de tratamento térmico são,
fundamentalmente as temperaturas e o tempos utilizados.
Observa-se nos gráficos da figura 5, as diferenças de temperatura utilizadas e
os meios de resfriamento (que definem a velocidade de resfriamento).
Estes ciclos são definidos pela composição química do aço.
Normalmente, os aços ferramenta têm temperaturas de tratamento de têmpera
pré-definidos pelo seu fabricante, e, salvo em casos excepcionais, não devem
ser alterados, sob risco de mudanças drásticas nas propriedades alcançadas.
A tabela a seguir, ilustra as temperaturas utilizadas para a têmpera dos
principais aços ferramenta.
Tab.1 – Exemplos de temperaturas de austenitização para aços ferramenta
Uma outra diferença muito importante entre aços carbono e aços ferramenta é
a propriedade chamada de TEMPERABILIDADE.
Por definição, TEMPERABILIDADE é a capacidade de um aço adquirir dureza
por têmpera a uma determinada profundidade.
Exemplificando:
Os exemplos da ura 6 são representações esquemáticas de corte transversal
em corpos de prova temperados. É facilmente observável que o aço AISI H13,
apesar de ter praticamente o mesmo teor de carbono do SAE 1045, tem
TEMPERABILIDADE substancialmente maior. A dureza superficial é a mesma,
mas no núcleo (a 50 mm de distancia a superfície), o SAE 1045 apresenta
enorme queda na dureza, enquanto que o H13 mantém praticamente inalterada
a dureza superficial.
Nem todos os aços ferramenta apresentam esta característica. De fato, por
exemplo, o aço AISI O1 tem baixa temperabilidade, e comparado com outros
da mesma família (Trabalho a Frio).
Um outro ponto notável é a diferença entre os meios de resfriamento
empregados. Para obter a mesma dureza superficial, o SAE 1045 necessita ser
temperado em óleo, enquanto que o AISI H13 adquire mesma dureza
temperado ao ar. Esta é uma característica dos aços ferramenta de alta
TEMPERABILIDADE, representando grande vantagem nas muitas situações
em que o problema das DISTORÇÕES DIMENSIONAIS adquire importância.
5. OBJETIVO FUNDAMENTAL DO TRATAMENTO TÉRMICO
Ao contrário do que muitos pensam, o principal objetivo do tratamento térmico
NÃO É aumentar a resistência a desgaste.
De fato, o tratamento térmico afeta o aço como um todo, enquanto que a
questão do desgaste limita-se à superfície.
Na realidade, o verdadeiro objetivo do tratamento térmico é promover uma
MODIFICAÇÃO MICROESTRUTURAL.
Também no caso dos aços ferramenta, o grande objetivo do tratamento
térmico, particularmente a têmpera é fazer uma alteração microstrutural,
obtendo-se uma estrutura de alta resistência mecânica, usualmente traduzida
por um aumento de dureza.
Entretanto, o aumento de dureza é apenas uma conseqüência desta alteração
microestrutural, não devendo, nunca, ser considerado um fim em si mesma.
6. TRATAMENTOS TÉRMICOS APLICADOS AOS AÇOS FERRAMENTA
De um modo geral, podemos aplicar os seguintes tratamentos térmicos aos
aços ferramenta:
1. ALÍVIO DE TENSÕES;
2. TÊMPERA E REVENIDO;
3. RECOZIMENTO.
6.1. ALÍVIO DE TENSÕES
Como o próprio nome diz, serve para reduzir o nível de tensões introduzido por
deformação a frio, usinagem, eletro-erosão, soldagem ou retífica, e que podem
afetar fortemente os resultados da têmpera posterior, ou mesmo as
características da ferramenta em uso.
Sempre que houver evidências, ou mesmo suspeita de que o nível de tensões
residuais é elevado, é aconselhável a aplicação deste tratamento.
Não existe uma regra única para a aplicação do Alívio de Tensões.
De modo geral, para ferramentas, pode-se adotar a seqüência:
É importante notar que o ciclo utilizado no primeiro alívio NÃO
NECESSÁRIAMENTE é igual ao do segundo. Isso dependerá do tipo de aço e
do tipo de têmpera que for executada.
6.2. TÊMPERA E REVENIDO
Na têmpera, obtém-se a alteração microestrutural que tem como resultado o
aumento da resistência mecânica.
Quando o aço é aquecido para a têmpera, a idéia principal é dissolver os
carbonetos numa quantidade tal que a matriz absolva elementos de liga e
carbono e lhe dê temperabilidade suficiente para a obtenção do efeito de
dureza homogênea na etapa de resfriamento, sem a formação de precipitados
em contorno de grão.
Quando o aço é aquecido até a temperatura de austenitização, não somente os
carbonetos são parcialmente dissolvidos, mas também a matriz é alterada,
transformando-se de ferrita para austenita graças ao reposicionamento dos
átomos de carbono no reticulado cristalino. Se o aço é resfriado rapidamente a
partir da temperatura de austenitização, os átomos de carbono não têm tempo
suficiente para se reposicionarem novamente como ferrita, eles se fixam em
posições onde não dispõem de espaço suficiente, e o resultado disso é uma
alta microtensão que explica o aumento de dureza (vide o exemplo do
congestionamento de carros na figura 8). Esta estrutura dura é chamada de
martensita, uma solução forçada de ferrita e carbono. Muitas vezes quando um
aço ferramenta é temperado, não se consegue a formação completa de
martensita e algum percentual de austenita mantém-se retida na
microestrutura.
A quantidade de austenita retida aumenta com o aumento de percentual de
elementos de liga, altas temperaturas e tempos prolongados de encharque.
Fig.8 – Analogias para compreensão dos objetivos dos processos de têmpera e revenimento
de aços ferramenta (ERASTEEL)
6.2.1. AQUECIMENTO ATÉ A TEMPERATURA DE AUSTENITIZAÇÃO
Esse aquecimento deve se lento para minimizar distorções e geração de
tensões térmicas nas peças. Esse aquecimento é todo controlado pelo
computador do forno no caso de fornos a vácuo, onde inclusive podemos
controlar as taxas de subida de cada rampa. Em fornos de banho de sal e
atmosfera controlada, utiliza-se um pré-aquecimento em fornos separados, que
devem na medida do possível ter algum tipo de proteção contra a oxidação.
As peças devem ser protegidas com cavacos de ferro fundido ou embrulhadas
em folhas de aço inoxidável, quando forem austenitizadas em fornos elétricos
sem atmosfera de proteção.
Fig.9 – Da esq. para dir,: forno de banho de sal, forno de atmosfera controlada, forno elétrico
do tipo mufla e forno a vácuo
6.2.2. TEMPO EM TEMPERATURA DE AUSTENITIZAÇÃO
Para isso existem os manuais fornecidos pelas empresas fabricantes de aço e
devem ser seguidos à risca, porque são frutos de testes e mais testes que
envolvem análises completas relacionando microestruturas e propriedades.
Sempre devemos levar em conta o tipo de forno, peso e compactação da
carga. Esse cuidado é muito mais crítico no caso de fornos a vácuo onde a
ausência de ar ou atmosfera gasosa impossibilita o aquecimento por condução
ou convecção e portanto a transferência de calor das resistências para a carga
ocorre somente por radiação.
Numa dada carga, as peças enfileiradas próximas às resistências são
aquecidas diretamente por radiação, mais reflexão vinda da face do
revestimento da zona quente do forno a vácuo.
As peças localizadas na parte mais externa da carga (próximas das
resistências) aquecem por radiação a próxima fileira de peças e assim por
diante até o centro da carga.
Em carregamentos muito densos, as peças no centro da carga chegam na
temperatura desejada muito mais devagar do que as peças localizadas na
região externa da carga e podem ficar sub austenitizadas dependendo do
tempo de encharque programado.
6.2.3. RESFRIAMENTO
No caso de ferramentas, a velocidade de resfriamento deve seguir uma
solução de compromisso entre a obtenção das propriedades desejadas e uma
mínima distorção.
A velocidade deve ser alta o suficiente para evitar a formação de carbonetos
pró-eutetóides que:
- roubam C e elementos de liga da matriz (prejudicam o endurecimento
secundário)
- reduzem a tenacidade (precipitam em contorno de grão)
Dentre os meios de resfriamento podemos destacar: salmoura, água, óleo,
sal,nitrogênio sob pressão ou ar, dependendo sempre da temperabilidade do
aço.
Aços com baixa teor de elementos de liga podem ser temperados em água
com adição de 8 a 10% de cloreto de sódio para aumentar a eficiência de
extração de calor, porém esse meio de resfriamento gera severa distorção e
muitas vezes trincas catastróficas.
O resfriamento em óleo pode ser utilizado para os aços ferramenta de baixa e
média liga. Esse óleo (fornecido por fabricantes especializados) deve estar
limpo e mantido em temperaturas de 60 a 70ºC. O óleo propicia um
acabamento muito bom e elevada dureza, mesmo em peças com grandes
dimensões, no entanto o risco de empenamento e trincas também é alto.
Os melhores meios de resfriamento para aços ferramenta são: martêmpera em
banho de sal, resfriamento ao ar e resfriamento por nitrogênio sob pressão.
No processo de martêmpera em banho de sal, o material é resfriado em duas
etapas, inicialmente a partir da temperatura de têmpera num banho de sal
mantido à temperatura acima da Ms e nessa temperatura fica mantido até a
equalização completa para posteriormente ser resfriado ao ar.
Deve-se tomar muito cuidado com a martêmpera de aços ferramenta
temperáveis ao óleo, porque a excessiva permanência na temperatura do
banho pode produzir bainita na microestrutura.
A temperatura da martêmpera para a maioria dos aços ferramenta fica em
torno de 500 a 550ºC, garantindo excelente velocidade de resfriamento para
evitar a formação de fases “indesejáveis”.
O resfriamento ao ar calmo ou ar forçado é aplicado quando o risco de
distorção é muito alto, no entanto esse meio de resfriamento produz um
péssimo acabamento superficial (muita carepa e descarbonetação).
Sem dúvida o resfriamento por nitrogênio sob pressão em fornos a vácuo é o
mais indicado no caso de aços ferramenta, porque produz peças com
excelente acabamento superficial e velocidade de extração de calor totalmente
controlada. O resfriamento totalmente homogêneo ao redor das ferramentas
produz uma microestrutura refinada e menores taxas de deformação.
Fig.11 – Esquema do fluxo de N2 sob pressão dentro de um forno a vácuo (IPSEN).
A tabela 2 a seguir mostra um comparativo dimensional em diversos testes de
resfriamento realizados em chapas de 100 x 100 x 25 mm no aço inox 420:
Tab.2 – Comparativo entre meios de resfriamento para uma chapa de 100 x 100 x 25 mm em
aço inox 420 temperada a 1020ºC (UDDEHOLM)
No revenido, reduz-se o nível de FRAGILIDADE imposta pela têmpera (vide o
exemplo do congestionamento de carros na figura 8), além de, ao contrário dos
aços carbono, haver um AUMENTO NA RESISTÊNCIA MECÂNICA após o
revenido. O tempo de encharque mínimo é de pelo menos 2 horas.
É importante observar que nem todos os aços ferramenta têm este
comportamento (chamado de DUREZA SECUNDÁRIA). Normalmente o
fabricante do aço fornece as curvas de revenido.
Além da presença de DUREZA SECUNDÁRIA, há uma outra característica
importante no revenido dos aços ferramentas, que os diferencia dos aços
carbono: o REVENIDO MÚLTIPLO.
Particularmente nos casos em que é necessária uma tenacidade elevada (ou a
maior possível), é absolutamente indispensável a aplicação de dois ou mais
revenidos.
Os revenidos múltiplos têm a função de concluir completamente as
transformações microestruturais iniciadas na têmpera (transformar a austenita
retida), de modo a conferir ao aço ferramenta a melhor combinação de
resistência mecânica com tenacidade.
O ciclo usual de um aço AISI H13, usado, por exemplo para a fundição sob
pressão de alumínio, é como segue:
Fig. 13 – Representação
esquemática da curva de
revenimento do aço H13
(EDELSTAHL)
6.3. SUB ZERO
O objetivo fundamental do subzero é auxiliar na transformação total da
austenita retida em martensita, particularmente em aços de altíssima liga como
o D2 que pode reter até 50% de austenita retida em sua estrutura à
temperatura ambiente.
A presença de austenita retida prejudica a dureza final e além disso existe
sempre o risco de, em trabalho, ocorrer a transformação dessa austenita em
“produtos” indesejáveis como a perlita por exemplo.
O subzero consiste em submeter as peças temperadas à ação de temperatura
abaixo de 0ºC, em N2 líquido (-196ºC) ou numa mistura de N2 líquido com álcool
(-70ºC, essa temperatura pode ser controlada utilizando-se geladeiras
especiais e balanceando os volumes de álcool e N2). É um tratamento
essencial quando a peça tratada necessita de estabilidade dimensional, alta
dureza e resistência ao desgaste.
6.4. RECOZIMENTO
Os aços ferramentas são, em geral, fornecidos no estado recozido.
A resistência mecânica, e conseqüentemente a dureza é baixa (da ordem de
200 HB na maioria dos aços ferramenta), permitindo usinagem, deformação
plástica a frio, e soldagem, quando necessário.
Nas situações em que, após a têmpera é necessário uma nova usinagem, por
exemplo, no caso de mudanças na forma do produto final, execução de furos
não previstos originalmente, ou mesmo quando ocorrem erros de têmpera, é
indispensável a aplicação de um ciclo de RECOZIMENTO, que permita nova
usinagem ou mesmo retratamento.
Retratamento em aços ferramenta é sempre um procedimento especial, e que,
via de regra exige aplicação de RECOZIMENTO. Nunca se deve retemperar
em cima de uma estrutura temperada, sob risco de surgimento de trincas na
ferramenta.
Sob temperaturas elevadas, na presença de oxigênio, ocorre o fenômeno da
DESCARBONETAÇÃO, ou seja, perda do elemento carbono do aço. A perda
de carbono acarreta, usualmente, perda de dureza superficial, e
conseqüentemente, não se atingem as propriedades desejadas na ferramenta.
Em qualquer processo que envolva altas temperaturas, é altamente
recomendável que se utilize equipamento de tratamento térmico que tenha
atmosfera controlada, ou seja, que permita tratamento sem a presença de
oxigênio (ou em quantidade mínima).
Isto é particularmente importante no caso do recozimento, que envolve
manutenção a elevadas temperaturas durante longos períodos.
Se houver perda de carbono no recozimento, a têmpera posterior não atingirá a
dureza desejada, e muitas vezes acarretará a perda da ferramenta.
7. ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES
É muito comum o ferramenteiro ou projetista de ferramentas, legitimamente
preocupado com problemas de DESGASTE, exija elevadas durezas na
têmpera.
Este é um erro muito comum, e a causa do erro está em associar
RESISTÊNCIA AO DESGASTE com a dureza obtida pela têmpera.
A dureza obtida na têmpera é tão somente para elevar a RESISTÊNCIA
MECÂNICA, contra, por exemplo, AMASSAMENTO.
Durezas excessivas obtidas na têmpera, em geral, vão causar trincamento da
ferramenta, devido à falta de TENACIDADE.
DESGASTE é um fenômeno e superfície, e como tal, deve ser tratada pela
ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES, e não pelo TRATAMENTO TÉRMICO.
Um outro erro comum é associar, DIRETAMENTE, aumento de dureza com
aumento na RESISTENCIA AO DESGASTE. Isso é verdadeiro até um certo
limite. Na maior parte dos casos que envolvem aços ferramenta, muito mais
eficiente que meramente aumentar a dureza, é modificar a natureza química da
superfície, de modo a reduzir o coeficiente de atrito nas faces em contato.
Existem muitas maneiras de, através de modificação da superfície da
ferramenta, obter-se uma elevada resistência a desgaste.
Dentre as mais eficientes, podemos destacar a NITRETAÇÃO e os
REVESTIMENTOS PVD.
7.1. NITRETAÇÃO
Trata-se de processo termoquímico, no qual, através da introdução de
NITROGÊNIO na superfície de um aço ferramenta, obtém-se uma camada, de
natureza cerâmica, de elevada resistência a desgaste, além de uma
substancial redução no coeficiente de atrito.
Nitretação é uma designação utilizada para um processo que utiliza atmosfera
gasosa (gás rico em nitrogênio), e normalmente gera camadas relativamente
espessas (até 1.0 mm) e demanda tempos bastante prolongados (acima de 90
horas como padrão).
Usualmente recomenda-se este tipo de tratamento quando o desgaste é do tipo
abrasivo, necessitando de camada espessa, que resista a penetração. Um bom
exemplo são fusos de injetoras de plástico, caracteristicamente sujeitas a
desgaste abrasivo.
Para ferramentas, que salvo exceções ficam mais sujeitas a desgaste do tipo
ADESIVO (estampos de repuxo de chapas galvanizadas, por exemplo) o mais
recomendável são os processos de NITROCARBONETAÇÃO, uma variação
da nitretação, que demanda tempos mais curtos e gera camadas mais
delgadas (até 0.2 mm de espessura).
Tanto a nitretação como a nitrocarbonetação geram camadas duplas conforme
figura a seguir:
Fig.14 – Micrografia de camada formada por nitretação gasosa convencional
AÇO: AISI P20
A camada mais superficial, chamada de CAMADA BRANCA, é integralmente
constituída de nitretos complexos, tendo natureza cerâmica, o que confere um
baixo coeficiente de atrito em contato com, p.ex., uma superfície metálica.
A CAMADA DE DIFUSÃO, corresponde àquela na qual ocorre queda gradual
no teor de nitrogênio, havendo um gradiente de dureza. Esta camada é
importante por dar sustentação mecânica à camada Branca.
A espessura e a dureza das camada geradas pela nitretação depende
basicamente da composição química do aço. Quanto mais ligado o aço, menor
a espessura da camada, e maiores são as durezas.
7.2. NITROCARBONETAÇÃO
Pode ser conduzido de três formas diferentes:
a. BANHO DE SAIS FUNDIDOS
b. ATMOSFERA GASOSA
c. PLASMA
A diferença fundamental é o meio que fornece o NITROGENIO.
Em geral, seleciona-se o processo em BANHO DE SAL para elementos de
máquinas, e ferramentas em que não há maiores cuidados quanto a sujidades
após o tratamento, lembrando que o sal fundido penetra em frestas e furos
pequenos, dificultando sua limpeza. Em compensação, este processo é em
geral mais rápido e mais versátil do que os outros dois. Como desvantagem
adicional, há a questão ambiental.
Justamente devido a limpeza, para ferramentas para injeção de plástico o
processo ideal é o gasoso, na qual o meio que fornece nitrogênio é uma
mistura de gases.
O processo a plasma tem a vantagem de oferecer quase absoluto controle do
tipo de camada desejada, além de também ser bastante limpo.
Para a seleção do processo mais adequado, é recomendável contato direto
com profissionais do ramo, habilitados a adequar as características particulares
de cada processo às necessidades específicas da ferramenta.
7.3. REVESTIMENTOS PVD
PVD é a sigla em inglês para DEPOSIÇÃO FÍSICA DE FASE VAPOR, ou seja,
é um processo de deposição de camadas através da vaporização de metais.
Não há efetiva difusão como na Nitretação, mas apesar disso, a aderência da
camada é extremamente elevada.
As camadas em geral não ultrapassam a espessura de milésimos de milímetro,
e apresentam durezas extremamente elevadas, acima de 2500 HV, com
coeficientes de atrito substancialmente mais baixos do que os obtidos na
nitretação.
Alguns exemplos de aplicação:
7.3.1 ALGUMAS CARACTERISTICAS DESTES PROCESSOS
Ambos os processos são aplicados, preferencialmente sobre aços já
temperados (especificamente no caso de ferramentas).
Desde que sejam utilizados aços que apresentam temperaturas de revenido
elevadas (acima de 540ºC), os processos de nitrocarbonetação e
revestimentos PVD não afetam a dureza do núcleo, uma vez que são
conduzidos em temperaturas que variam de 500 a 570ºC.
No caso do PVD, é possível aplicação a temperaturas mais baixas, da ordem
de 250ºC, permitindo portanto aplicação em aços que tem temperatura de
revenido mais baixa, mas haverá uma queda na aderência, que pode tornar-se
importante na medida em que aumenta a severidade do trabalho.
De um modo geral, podemos resumir as principais aplicações e características
como na tabela a seguir:
Tab.3 - Exemplos de aplicação da Engenharia de Superfícies em combinação com o aço e o
tratamento térmico mais recomendado
Os exemplos dados acima são orientativos, e não excluem, de modo algum
consulta a profissionais do ramo, qualificados para associar o tipo de
tratamento de superfície às necessidades da ferramenta.
8. ESTUDOS DE CASOS
8.1. MOLDES DE INJEÇÃO DE PLÁSTICO – os moldes de injeção de plástico
estão sujeitos a desgaste do tipo adesivo, tendo em muitos casos, necessidade
de resistência a corrosão, principalmente na injeção de organoclorados. A
seleção do aço é baseado na produção desejada e na abrasividade do
polímero em questão.
Outra solicitação comum é a baixa deformação na têmpera, nem sempre
possível. A melhor solução nestes casos, é o uso de aços ferramenta
fornecidos no estado beneficiado (em geral para durezas de 28/32 HRC, ou
mais recentemente, 36/38 HRC).
A nitrocarbonetação gasosa é bastante recomendável.
O tratamento térmico é definido automaticamente pelo aço escolhido. Nas
situações em que se usam aços temperáveis, recomenda-se fornos com
atmosfera controlada (preferencialmente vácuo).
Uma outra solicitação é a elevada POLIBILIDADE. Nesta situação, comum
quando se injeta policarbonato, por exemplo, é quase inevitável a seleção de
aços do tipo inoxidável martensítico, AISI 420 o mais comum, temperado para
50/52 HRC, e revestido com TiN, via processo PVD.
A tabela 4, a seguir, é um resumo orientativo da seleção de aços, tratamentos
térmicos e tratamentos de superfície para ferramentas de injeção de plástico.
8.1.1. TERMOS USADOS NA TABELA
OBSERVAÇÕES
A tabela indica, em alguns quadros, números que têm a explicação como
segue:
(1) Trata-se do padrão convencional, em que a seleção de aço, tratamento
térmico e de superfície seguem o senso comum, sem considerações quanto a
requisitos especiais;
(2) Por “produção desejada”, entenda-se a produção necessária e suficiente
para cumprir o contrato com o cliente final, nem mais, nem menos.
Como regra geral, define-se “baixa produção” como algo menor do que
100.000 peças, “média produção” entre 100.000 e 1.000.000 de peças e “alta
produção”, acima de 1.000.000 de peças;
(3) A noção de abrasividade alta ou baixa de um polímero é conhecimento
comum para o profissional que atua com polímeros. De um modo geral, quanto
maior a quantidade de “carga” no polímero, maior a abrasividade;
(4) A tabela foi construída para indicar o AÇO a ser utilizado, o tratamento
térmico recomendado (T.T.), e o tratamento de superfície mais indicado para a
situação em questão (T.Sup.).
(5) A indicação (op) indica “opcional”, ficando a critério do usuário decidir pela
aplicação, em função das condições de produção;
(6) A sigla “PH” refere-se a “Precipitation Hardening” , classe de aços que
sofrem endurecimento por processo de precipitação. Bastante vantajoso em
relação à têmpera, por reduzir, muito, as deformações;
(7) Dados mais detalhados quanto à têmpera em vácuo podem ser
encontrados nesse trabalho;
(8) Quando o tratamento de superfície indica duas opções, significa que ambos
podem ser utilizados, ficando a cargo do projetista a escolha em função das
características do projeto em questão;
(9) Para que o aço inoxidável martensítico AISI 420 seja resistente à corrosão,
o tratamento de têmpera é MANDATÓRIO;
(10) A siga ESR refere-se à “Eletro Slag Remelting”, processo de fabricação de
aço que confere grande sanidade interna, favorecendo a polibilidade;
(11) Estes aços são fornecidos no estado pré- beneficiado
8.2. FERRAMENTAS PARA CONFORMAÇÃO DE METAIS A FRIO
Esta aplicação, normalmente considera o processo a ser utilizado (por
exemplo, processo de corte fino), a espessura da chapa a ser conformada, a
natureza abrasiva da chapa e condições de produção.
Existem dezenas de opções de aços para este tipo de aplicação, incluindo-se
aí os modernos aços fabricados pela metalurgia do pó.
A seleção do aço mais adequado demanda bom conhecimento das opções
existentes no mercado, e as aplicações características de cada tipo.
Pode-se resumir uma seqüência lógica como segue:
Fig. 17 – Seqüência de escolha de aços para conformação mecânica a frio em função da
severidade do processo
Tab.5 – Escolha de aços para conformação mecânica a frio em função do
tipo de trabalho e característica da matéria prima
8.2.1. OBSERVAÇÕES
• D2 refere-se ao aço AISI D2;
• MATRIX refere-se a uma família de aços de concepção moderna, associando
a alta resistência a desgaste do aço AISI D2, com uma tenacidade mais
elevada;
• HSS é a sigla para AÇO RÁPIDO. O mercado nacional padroniza o aço AISI
M2;
• PM é a sigla de “POWDER METALLURGY”, designando os aços fabricados
pela metalurgia do pó. Associando altíssima dureza com elevada tenacidade, é
aplicado em situações extremas, de alta solicitação. Existem composições de
TRABALHO A FRIO e também AÇOS RÁPIDOS, ficando a seleção mais
adequada sujeita a estudo mais aprofundado;
• As faixas de dureza apontadas são meras referências. Dependendo da
situação, elas variam;
• No caso do AISI D2, as durezas apontadas são obtidas através de ciclo de
tratamento térmico específico, visando máxima tenacidade possível;
• A tabela foi construída para aplicação em PUNÇÕES. Nas matrizes, em geral,
aplicam-se qualidades de aço ligeiramente inferiores aos punções, pois a falha
da matriz está associada ao desgaste do punção.
8.3. ELEMENTOS DE MÁQUINA E ACESSÓRIOS DE FERRAMENTAS
Refere-se aqui a guias, gavetas, buchas, réguas e colunas, normalmente
elementos indispensáveis na confecção de ferramentas. É muito comum que
estes elementos sejam construídos em aço AISI 8620, cementados,
temperados e revenidos, com camada de cementação variando de 0.8 a 1.0
mm, e durezas superficiais da ordem de 60 HRC.
Por serem móveis, estes elementos estão sujeitos a desgaste, havendo pouca
ou nenhuma necessidade de resistência mecânica elevada, uma vez que as
solicitações mecânicas sobre estes componentes são usualmente baixas.
Nestas condições, o uso do tratamento de cementação implica uma série de
problemas, a saber:
a. empenamento excessivo após têmpera;
b. necessidade de retífica após têmpera;
c. prazos longos;
d. perdas devido deformação excessiva;
e. baixa resistência a desgaste (camada cementada continua sendo aço).
A melhor solução é a aplicação de NITROCARBONETAÇÃO GASOSA,
visando, sobretudo, “fugir” da têmpera (que é necessária no processo de
cementação).
Nas situações em que, devido a maior severidade da solicitação mecânica fazse necessária uma dureza de núcleo mais elevada, pode-se recorrer a aços
pré-beneficiados, ou seja, que são fornecidos na condição já temperada,
usualmente para durezas da ordem de 28/32 HRC. Nessa situação, não há
necessidade de têmpera. Basta usinar, deixar no estado acabado, e realizar a
nitrocarbonetação.
Fig.18 – Exemplo de um estampo progressivo, mostrando elementos acessórios como guias e
colunas (UDDEHOLM)
8. PROBLEMAS COMUNS EM FERRAMENTAS
8.1. DISTORÇÕES NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS
Este é um problema recorrente, muitas vezes agravado pela falta de
conhecimento do ferramenteiro quanto aos objetivos e características dos
tratamentos térmicos, particularmente no caso da têmpera.
Por ser um processo que causa modificação microestrutural, ou seja, a
microestrutura final é DIFERENTE da inicial, tanto em propriedades como em
VOLUME ocupado, a distorção de tratamento térmico é um fenômeno
INEVITÁVEL, quaisquer que sejam as circunstâncias em que foi conduzido.
A tendência mais geral no caso de aços submetidos a têmpera é a EXPANSÃO
dimensional.
Em corpos de prova de dimensões iniciais controladas e geometria simples, é
possível fazer previsões baseadas em modelos matemáticos.
Entretanto, na prática, é impossível tal previsão com um grau razoável de
precisão, pois à expansão natural deve-se somar: TENSÕES RESIDUAIS DE
USINAGEM, TENSÕES RESIDUAIS DE TRABALHO MECÂNICO ANTERIOR,
VARIAÇÕES NATURAIS DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA e FATORES
GEOMÉTRICOS, variáveis estas, usualmente fora do controle tanto do
profissional de tratamento térmico, como do ferramenteiro.
Em suma, não é possível EVITAR a distorção de tratamento térmico, cabendo
ao profissional da área zelar para que ela não seja agravada por escolha
inadequada de ciclos térmicos, equipamentos de baixos recursos tecnológicos
e técnicas de carregamento inadequadas e amadoras.
É também muito importante manter o projeto simples e simétrico, eliminar
tensões de usinagem após o desbaste e utilizar uma matéria prima de
qualidade.
A melhor recomendação neste caso é: “DEIXAR O MÁXIMO SOBREMETAL
POSSÍVEL”, normalmente limitado às limitações de processo e equipamento
do ferramenteiro.
8.2. TRINCAS GERADAS POR ELETRO EROSÃO DE PENETRAÇÃO
As temperaturas na superfície do aço durante o processo de eletro-erosão
podem atingir valores entre 10.000 e 50.000 ºC.
Lembrando que a temperatura de fusão dos aços gira em torno de 1560 ºC e
as temperaturas usualmente utilizadas na têmpera dos aços situam-se abaixo
dos 1200 ºC, conclui-se que na superfície do aço sendo eletroerodido a
temperatura reinante chega a vaporizar o metal.
Nessas condições, temos a formação de uma “camada” na superfície, que,
numa analogia com o processo de soldagem, porém em escala microscópica,
bem poderia ser chamada de ”ZONA TERMICAMENTE AFETADA PELO
CALOR DA ELETRO EROSÃO”.
A figura a seguir ilustra o fenômeno.
Fig. 19: Zona afetada pelo calor da
eletroerosão. Aço: AISI D6, temperado e
revenido para 60 HRC
Como pode ser observado na figura acima, a ZTA além de ser um defeito,
carrega consigo outros, como POROS e TRINCAS.
Fig. 20: Secção transversal de uma amostra eletro erodida. Ao lado, o perfil de durezas (HV)
Material: AISI A2
Temperado para 57 HRC – 200 x (UDDEHOLM)
Observe que a ZTA, na realidade é constituída de três camadas justapostas e
designadas como segue, da superfície para o núcleo:
1. Zona Fundida e Ressolidificada: correspondendo à camada mais superficial,
esta região é a que sofreu as mais altas temperaturas. O aço foi fundido, e
ressolidificou-se por ação da extração de calor dada pelo dielétrico.
Microestruturalmente, esta camada é BRUTA DE FUNDIÇÃO;
2. Zona Re Temperada: correspondendo à região que atingiu temperaturas
superiores às de austenitização, temperando no subsequente resfriamento
dado pelo dielétrico. Microestruturalmente, esta região é constituída de
MARTENSITA GROSSEIRA, devido, principalmente às temperaturas mais
elevadas que as utilizadas em Tratamento Térmico normal;
3. Zona Re Revenida: correspondendo às regiões mais internas da superfície,
onde a temperatura superou a utilizada no revenimento normal.
Microestruturalmente, esta região é constituída de MARTENSITA REVENIDA
GROSSEIRA.
O perfil de durezas ao lado da figura 20, evidencia claramente a natureza
destas sub-camadas.
Evidentemente, esta camada é extremamente pobre em propriedades
mecânicas, em contraste com o núcleo, temperado e revenido de forma
correta.
A existência desta camada por si só, já seria suficiente para explicar muitos dos
problemas, que ocorrem no uso de ferramentas que passaram por
eletroerosão.
O melhor caminho para evitar problemas com a eletro-erosão é fazer uso de
parâmetros de processo que imponham a menor ZTA possível. Isso é viável
desde que se faça uso de baixa amperagem e elevada freqüência.
Recomenda-se este procedimento para as fases de acabamento do processo.
Após a erosão, também é recomendável a remoção mecânica da camada
branca da zona ressolidificada, através de polimento (retirar um mínimo de 0.01
mm).
Também recomendável um ALÍVIO DE TENSÕES após o polimento, que deve
ter o ciclo adequado ao tipo de aço e condições de têmpera aplicadas.
8.3. PROBLEMAS DE RETÍFICA
A retífica é um processo muito utilizado no acabamento de ferramentas, e
caracteriza-se por remover material através de abrasão.
Também neste caso, há geração de temperaturas elevadas (acima de 1500 ºC)
que podem gerar numa ferramenta tratada, zonas re-temperadas e rerevenidas.
Deve haver um grande cuidado na seleção do rebolo, sua manutenção além de
uma garantia de refrigeração adequada no processo.
Fig.21 – Ferramenta de conformação a frio em aço AISI D2 temperado para 58 HRC que
apresentou trincas após retífica. Ao lado da figura, curva de dureza evidenciando queima de
retífica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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AÇOS FERRAMENTA”, 2.ENCONTRO DA CADEIA DE FERRAMENTAS,
MOLDES E MATRIZES DA ABM, 2004.
2. YOSHIDA, S., SELEÇÃO DE AÇOS, TRATAMENTOS TÉRMICOS E
ENGENHARIA DE SUPERFÍCIE, 2001.
3. UDDEHOLM, APLICAÇÕES EM AÇO PARA FERRAMENTAS:
TRATAMENTO TÉRMICO PARA AÇOS FERRAMENTA, CATÁLOGO
TÉCNICO.
4. UDDEHOLM, APLICAÇÕES EM AÇO PARA FERRAMENTAS: AÇOS
FERRAMENTA PARA MATRIZES E MELHORA DE PRODUTIVIDADE EM
MATRIZES DE FUNDIÇÃO, CATÁLOGO TÉCNICO.
5. UDDEHOLM, EDM OF TOOL STEEL, CATÁLOGO TÉCNICO.
6. ERASTEEL FRANCE, GRINDING OF HIGH SPEED STEEL, CATÁLOGO
TÉCNICO.
7. ERASTEEL FRANCE, HEAT TREATING OF HIGH SPEED STEEL,
CATÁLOGO TÉCNICO.
8. IPSEN, ABAR-U EDUCATION VACUUM FURNACE TRAINING MANUAL
9. EDELSTAHL WITTEN-KREFELD GMBH, TOOL STEELS HOT WORK
STEELS, CATÁLOGO TÉCNICO.